Etude de défauts critiques des installations solaires thermiques de grande dimension : définition, modélisation et diagnostic

par Gaëlle Faure

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Tuan Tran-Quoc.

Le président du jury était Gilles Fraisse.

Le jury était composé de Mathieu Vallée, Bernd Hafner, Pierre Delmas.

Les rapporteurs étaient Manuela Sechilariu, Jean-Michel Reneaume.


  • Résumé

    Les centrales solaires thermiques de grande dimension basse et moyenne température (80-120°C) peuvent fournir une chaleur renouvelable et compétitive aux réseaux de chaleurs et aux industries. Ces installations, intensives en capital et avec des faibles coûts de fonctionnement, ont un retour sur investissement sur le long terme. Le suivi de performance et la détection et le diagnostic de défauts automatisés sont donc des axes essentiels permettant de garantir des performances optimales sur toute la durée de vie de l’installation.Cette thèse a pour but l’analyse des défauts les plus importants, dans un but de détection et de diagnostic. Dans un premier temps, une étude exhaustive des défauts pouvant affecter les installations solaires thermiques a été réalisée. Cette étude a permis d’identifier les défauts les plus fréquents et les plus graves, autrement appelés défauts critiques. Parmi ces défauts, six ont été sélectionnés pour être étudiés plus en détails.Afin d’analyser le comportement du système lorsqu’il est soumis aux différents défauts étudiés, un modèle numérique a été mis en place. En particulier, un nouveau modèle de capteur solaire thermique plan a été développé, les modèles existants ne détaillant pas suffisamment certaines caractéristiques physiques nécessaires à la reproduction des défauts. Une validation expérimentale de ce modèle en fonctionnement normal et défaillant a montré qu’il permet une modélisation simple des défauts et que son comportement est réaliste.Une méthodologie pour analyser de façon numérique l’impact des défauts sur le comportement du système est ensuite proposée. Un ensemble de grandeurs permettant de caractériser ce comportement sont notamment définies. Cette méthodologie est ensuite appliquée, d’abord à l’échelle du composant directement impacté par le défaut, puis à l’échelle du système complet. Les résultats permettent d’identifier les défauts détectables ainsi que ceux qui sont identifiables et de proposer un ensemble réduit de grandeurs suffisant pour les détecter et les identifier.Ces travaux offrent une base méthodologique et des premiers résultats qui pourront permettre de développer un algorithme automatisé pour détecter et diagnostiquer les défauts critiques d’une installation solaire thermique de grande dimension.

  • Titre traduit

    Study of large solar thermal system critical faults : definition, modelling and diagnosis


  • Résumé

    Large scale solar systems at low and medium temperature (80-120 °C) can provide renewable and competititve energy to district heating and industrial processes. These systems, which are capital-intensive and have low operating costs, present a long-term return on investment. Automated monitoring and fault detection and diagnosis are key elements to guarantee optimal performances during all the lifespan of the plant.This dissertation aims to analyze of the main faults, in a detection and diagnosis purpose. First, an exhaustive study of the dysfunctions that can affect the large scale solar systems enabled to identify the more frequent and serious faults, also called critical faults. Among these critical faults, six were selected for a more detailed study.To analyze the behavior of the system subjected to the studied faults, a numerical model was implemented. A new flat plate thermal solar collector model was particularly developed as existing ones do not detail enough several physical characteristics required for the reproduction of faults. An experimental validation of this model in normal and faulty operation showed that it enables a simple fault modelling and presents a realistic behavior.A methodology to numerically analyze the impact of the faults on the system behavior is then proposed. A set of features enabling the characterizing of this behavior are particularly defined. This approach is applied first at the scale of directly affected component then at system scale. The results enable to identify detectable and isolable faults, but also to propose a reduced set of features sufficient to properly detect and diagnose them.This work presents a methodologic base and first results to develop an automated algorithm for detection and diagnosis of critical faults of a large scale thermal solar system.


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